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Fundamentos dos CNCs

"Embora a intenção desta apresentação seja lhe ensinar o uso dos CNCs, ajudará também a entender por que estas máquinas sofisticadasficaram tão populares. Aqui estarão alguns dos benefícios mais importantes que se oferece através de equipamentos CNCs."

O primeiro benefício  oferecido  por  todas  as  formas  de máquinas  ferramentas CNC é  sem duvida  a  automatização.  A  intervenção deoperador relacionada a peças produto é drasticamente reduzida ou eliminada. Muitas  máquinas  CNC  podem  rodar  sem  nenhum  acompanhamento  humano  durante  um  ciclo  de  usinagem  completo,  permitindo  aooperador  tempo  livre para desempenhar outras  tarefas.  Isto permite ao usuário CNC vários benefícios que  incluem  fadiga de operadorreduzida, menos enganos causados por erro humano, usinagem consistente e em tempo previsível para cada produto. Considerando que amáquina estará correndo sob controle de um programa, o nível de habilidade  requerido do operador de CNC  (relacionado a pratica deusinagem é básico) também é reduzido quando comparado a um operador de máquinas ferramentas convencionais.

O segundo benefício  principal  da  tecnologia  CNC  são  peças  consistentes  e  precisas.  As máquinas  CNC  de  hoje  ostentam  precisãoincrível das especificações e também quanto a repetibilidade. Isto  significa  que  uma  vez  que  um  programa  esteja  testado  e  aprovado,  podem  ser  produzidos  dois,  dez,  ou  mil  produtos  idênticosfacilmente com precisão e consistência adequadas.

Um terceiro benefício oferecido pela maioria das máquinas ferramentas CNC é a flexibilidade. Desde que estas máquinas são rodadassob controle de programas, pois cortar um produto diferente quase é tão fácil quanto carregar um programa diferente. Uma vez que umprograma foi verificado e foi executado para produção, pode ser substituído facilmente por um próximo tipo de peça a ser cortada. Isto nosleva a outro benefício, o de trocas rápidas de "setup".Desde que estas máquinas são muito  fáceis de se montar e produzir  um certo produto, e  considerando­se que podem ser  carregadosprogramas facilmente, eles permitem tempos de "setup" muito curtos. Isto é imperativo com as exigências de produção dos nossos dias.

Controle de movimento ­ O coração do CNC

Figura  1.  O  movimento  de  uma  mesa  de  máquina  convencional  é  acionado  pelo  operador  que  gira  uma  manivela  (manípulo).  Oposicionamento preciso é  realizado pelo operador que conta o número de voltas a ser dada na manivela com graduações no dial  (anelgraduado) desta forma dependendo exclusivamente da perícia do operador.

A função mais básica de qualquer máquina CNC é o controle de movimento automático, preciso, e consistente. Todos equipamentos CNCque tenha duas ou mais direções de movimento, são chamados eixos. Estes eixos podem ser preciso e automaticamente posicionados aolongo dos seus movimentos de  translação. Os dois eixos mais comuns são  lineares  (dirigido ao  longo de um caminho  reto) e  rotativos(dirigido ao longo de um caminho circular). Em vez de  serem movimentadas  virando manivelas manualmente  como é  feito  em máquinas  ferramentas  convencionais,  as máquinasCNCs têm seus eixos movimentados sob controle de servo motores do CNC, e guiado pelo programa de peça. Em geral, o tipo de movimento (rápido, linear e circular), Para os eixos se moverem, a quantidade de movimento e a taxa de avanço (feedrate) é programável em quase  todas máquinas  ferramentas CNC. A  figura 1  (acima) mostra o controle de movimento de uma máquinaconvencional. A figura 2 (abaixo) mostra um movimento de eixo linear de uma máquina CNC.

 

Figura  2.  Uma  máquina  CNC  recebe  a  posição  comandada  do  programa  CNC.  O  servo  motor  é  acionado  com  a  quantidadecorrespondente de giros no fuso de esferas de aço, na velocidade adequada para posicionar a mesa onde foi comandada ao longo de umeixo linear. Um dispositivo de avaliação confirma se a quantidade de giros no fuso guia realmente ocorreu.

Um comando CNC executado dentro do controle (comumente por um programa) diz para o servo motor girar um número preciso de vezes.A rotação do servo motor gira o fuso que passa em um suporte da mesa que esta montada sobre barramento, quando o fuso gira os sulcosdo mesmo força a mesa em uma direção e esta desliza sobre o barramento de apoio gerando movimento em uma direção. Este fuso movimenta o eixo linear. Um dispositivo de avaliação no final oposto deste fuso roscado permite o controle para confirmar que onúmero comandado de rotações aconteceu.

Embora uma analogia bastante rústica, o mesmo movimento linear básico pode ser encontrado em uma máquina convencional. Quando segira a manivela, você girará um eixo com rosca (parafuso sem fim), o qual movimenta a mesa em uma direção específica. Por  comparação,  um  eixo  linear  em  uma  máquina  ferramenta  CNC  é  extremamente  preciso.  O  número  de  rotações  do  fuso  dirigeprecisamente o servo motor e controla a quantidade de movimento linear ao longo deste eixo.

Como é comandado o movimento de um eixo ­ Entendendo os sistemas de coordenadas.

Seria inconcebível para o usuário CNC gerar movimento de eixo  tentando controlar o servo motor de cada eixo, quantas vezes deveriagirar este fuso para comandar uma determinada quantidade de movimento  linear.  (Isto estaria como ter que entender quantas voltas damanivela em um anel graduado para movimentar a mesa em um milímetro exatamente!). Em vez disto, todos os controles CNC permitemcomandar o movimento do eixo de um modo muito mais simples e mais lógico utilizando alguma forma de sistema de coordenada. Os doissistemas de coordenadas mais populares da maioria usado nas máquinas CNCs é o sistema de coordenada cartesiano ou coordenadaretangular e o sistema de coordenada polar. Sem dúvida, o mais comum é o sistema de coordenada retangular, e nós o usaremos paratodas as discussões feitas nesta apresentação.

Uma aplicação muito comum para o sistema de coordenada retangular são os gráficos. Quase todo o mundo já teve que fazer ou interpretar um gráfico. Desde que a necessidade para se utilizar gráficos é tão trivial, e isto seassemelha muito ao que é exigido para causar movimento de eixo em uma máquina de CNC, revisemos os fundamentos dos gráficos.

Figura 3. O gráfico ilustra o uso de linhas básicas, os incrementos usados para cada linha básica, e a origem pontual para as duas linhasbásicas (horizontal e vertical).

Figura 3 (acima) é um gráfico da produtividade de uma companhia durante ano passado. Como em qualquer gráfico de duas dimensões,este gráfico tem duas linhas de base. Cada linha básica é usada para representar algo. O que a linha básica é representa por incrementos,além do que, cada  linha básica  tem seus  limites. Em nosso exemplo de produtividade, a  linha básica horizontal está sendo usada pararepresentar tempo. Para esta linha básica, o incremento de tempo está em meses. Note que esta linha básica tem inicio em janeiro e final em dezembro. A linha básica vertical representa produtividade. A produtividade estádividida de dez em dez por cento cada incremento, inicia­se em zero por cento de produtividade e finaliza­se nos cem por cento.

A pessoa que fez o gráfico observou a produtividade da companhia para janeiro do ano passado e à posição de produtividade no gráficodurante  janeiro, um ponto então  foi apontado no gráfico.  Isto então  foi  repetido em fevereiro, março, e cada mês do ano. Uma vez quetodos  pontos  foram  lá  colocados,  uma  linha  ou  curva  é  passada  em  cada  um  dos  pontos  o  que  tornar mais  claro  o  desempenho  dacompanhia no ano passado.

Tomamos o que sabemos agora sobre gráficos e relacionamos ao eixo de movimento do CNC. Em vez de plotar os pontos teóricos pararepresentar idéias conceituais, o programador de CNC plotará os pontos do final físico para cada movimento de eixo. Cada eixo linear da

máquina ferramenta pode ser pensado como uma linha básica do gráfico. Como os gráficos de linhas básicas os eixos estão divididos emincrementos. Mas em vez de estar dividido em incrementos de idéias conceituais como tempo e produtividade, cada eixo linear do sistemade coordenada retangular de uma máquina CNC está dividido em incrementos mensuráveis em mm (medida de distancia). No modo depolegadas modo,  o  incremento menor  pode  ser  0.0001 polegada. No modo métrico,  o  incremento menor  pode  ser  0.001 milímetro.  (Apropósito, para eixo rotativo o incremento é 0.001 graus.)

Assim como os gráficos, cada eixo no sistema de coordenadas da máquina CNC tem que iniciar em algum lugar. Com o gráfico, a linhabásica horizontal começou a  janeiro e a  linha básica vertical  começou na produtividade de zero %. Este  lugar aonde as  linhas básicasverticais e horizontais se encontram é chamado o ponto de origem do gráfico. Para propósitos de CNC, este ponto de origem é chamadopelo programa comumente: ponto zero (também chamado de zero de trabalho, zero peça, ou origem do programa).

 

Figura  4.  O  sistema  de  coordenada  retangular  para  o  plano  XY.  O  ponto  zero  do  programa  estabelece  o  ponto  de  referência  paramovimento comandado em um programa de CNC.  Isto permite para ao programador especificar movimentos de um  local comum. Se ozero de programa for sabiamente escolhido, normalmente podem ser tomadas as coordenadas precisas para o programa diretamente.

Figura 4 (acima) mostra como são comandados os movimentos de eixo comumente em máquinas CNC. Por exemplo, os dois eixos quenós estamos mostrando são chamados de X e Y, mas lembre­se de que no programa o zero pode ser aplicado a qualquer eixo. Embora onome de cada eixo mude em cada tipo de máquina CNC a outros (outros nomes comuns  incluem Z, A, B, C, U, V, e W), este exemplodeveria ser usado para mostrá­lo bem como o movimento de eixo pode ser comandado. Como pode ver, a posição mais baixa no canto e mais a esquerda da peça será correspondente à posição zero para cada eixo. Quer dizer,o canto mais baixo à esquerda da peça é o ponto zero do programa. Antes de escrever o programa, o programador deverá determinar aposição zero do programa. Tipicamente, o ponto zero do programa é escolhido como o ponto onde todas as dimensões se iniciam. 

Com esta técnica, se o programador deseja enviar a ferramenta a uma posição 10 milímetros à direita do ponto zero do programa, X10.0 écomandado. Se o programador deseja que a ferramenta mova se a uma posição de 10 milímetros sobre o ponto zero do programa, Y10.0é comandado. O controle determinará quantas vezes automaticamente  ira girar o  servo motor de cada eixo e assim  fazer o eixo alcançar o ponto dedestino comandado. Isto faz com que o programador comande o movimento de eixo de uma maneira muito lógica.

Com os exemplos dados, todos os pontos aconteceram para cima e à direita do ponto zero do programa zero. Esta área, acima e à direitado ponto zero do programa é chamado de primeiro quadrante  (neste  caso, quadrante número um). Não são  raras máquinas CNC quetrabalhem em outros quadrantes. Quando isto acontecer, pelo menos um das coordenadas deve ser especificado como negativa. Figura 5(abaixo) mostra a relação dos quatro quadrantes como também as representações "mais e menos" que requereram para cada. Figure 6(abaixo) mostra uma aplicação comum onde os pontos  finais ocorrem entre os quatro quadrantes e  coordenadas negativas devem serespecificadas.

Figura 5. Se um ponto aparecer num programa CNC em qualquer quadrante diferente do primeiro quadrante, um sinal de menos deveráser incluído em pelo menos um dos seus eixos.

Absoluto versus incremental

Todas as discussões sobre este ponto assumem que o modo absoluto de programar deve ser usado. No modo absoluto, as coordenadasdos pontos de todos os movimentos serão especificadas a partir do ponto zero do programa. Para novatos, normalmente este é o melhor emais fácil método de especificar as posições para comandos de movimento. Porém, há outro modo de especificar os movimentos de eixo. O modo incremental onde se é especificado os movimentos a partir da posição atual da ferramenta, não do zero do programa. Com estemétodo de movimento dominante, o programador  tem que estar perguntando.  "Quão distante eu deveria mover a  ferramenta?", são  tãoraras  as  vezes  que  este  método  é  útil  que  atualmente  esta  se  transformando  em  coisa  do  passado,  em  geral,  este  método  é  maisincômodo e difícil.É  importante tomar muito cuidado ao se fazer os comandos de movimento. Os novatos têm a tendência para pensar  incrementalmente.Trabalhando se no modo absoluto (como deveria ser feito), o programador sempre deveria estar perguntando "A que posição a ferramentadeveria ser movida?" Esta posição é relativa ao zero do programar, não da posição atual da  ferramenta. Figura 6 (abaixo) mostra duasséries idênticas de movimentos, um no modo incremental e a outra no modo absoluto.

Movimento absoluto versus movimento incremental

 

Figura 6. É muito fácil de dizer o local preciso da ferramenta em qualquer comando dado pelo modo absoluto. No modo incremental, podeser muito difícil determinar a posição atual da ferramenta para um determinado comando de movimento.

Alem de ser muito fácil de determinar a posição atual para qualquer comando, outro benefício de se trabalhar no modo absoluto tem a vercom enganos feito durante comandos de movimento. No modo absoluto, se um erro de movimento é cometido em um comando do programa, só um movimento estará incorreto. Por outro lado,se um erro é cometido durante movimentos por incrementos, todos os movimentos a partir deste ponto também estarão errados.

Lembre se de que o controle CNC precisa saber onde você definiu o ponto zero do programa assim como se passa informação de umapessoa para outra. Como isto varia dramaticamente de uma máquina CNC para outra. Um método mais antigo e usual é nomear o zero deprograma no programa. Com este método, o programador diz ao controle a posição do ponto zero do programa em relação ao ponto zeroda máquina.  Isto  é  comumente  passado  ao  controle  pelo  código G92  (ou G50)  este  comando  é  colocado  pelo menos  no  começo  doprograma e possivelmente no começo de cada ferramenta.

Um modo mais novo e melhor para nomear zero do programa é por alguma forma de compensação. Fabricantes de controle de centros deusinagem  normalmente  chamam  estas  compensações  de  "Offsets"  do  zero  de  instalação.  Fabricantes  de  centro  de  torneamentocomumente  chamam estas  compensações  para  cada  tipo  de  desenho  da  ferramenta. Mais modos  de  como  os  programas  podem serzerados serão apresentados durante conceito fundamental número quatro.

Outros pontos sobre movimentos de eixos

Até este ponto, nossa preocupação primária foi lhe mostrar como determinar o ponto de cada comando de movimento. Como você podeperceber, enquanto fazendo isto foi requerida uma compreensão do sistema de coordenada retangular. Porém, há outras preocupaçõescomo um movimento acontecerá. Por exemplo, o tipo de movimento (rápido, interpolação linear, circular, etc.), e taxa de avanço tambémdeve ser uma das preocupações do programador. Nós discutiremos estas outras considerações durante conceito fundamental número três.

Programa CNC

Quase todos controles de CNCs atualmente usam um único formato de endereço de palavra para se programar. (As únicas exceções paraisto são certos controles sociáveis). Através deste  formato de endereço de palavra, queremos dizer que o programa CNC é  feito sobresentenças de comandos. Cada comando é composto de palavras CNC e cada qual  têm seu endereço de  letras e valores numéricos. Oendereço  de  letra  (X, Y,  Z,  etc.)  diz  ao  controle  o  tipo  de  palavra  e  o  valor  numérico  diz  ao  controle  o  valor  da  palavra. Usado  comopalavras e sentenças no idioma português, palavras em um comando CNC dizem as máquinas CNCs o que é que desejamos fazer comeste bloco de comando.

Uma analogia muito boa para o que acontece em um programa CNC é encontrada em qualquer conjunto de instruções passo a passo. Porexemplo, você tem algumas visitas de outra cidade que estão chegando para visitar sua companhia. Você precisa escrever as instruçõespara  se  chegar  do  aeroporto  local  a  sua  companhia.  Para  fazer  isto,  você  deve  primeiro  visualizar  o  caminho  do  aeroporto  até  suacompanhia. Você vai então, em seqüência, escrever cada instrução uma em baixo da outra.A pessoa que segue suas instruções executaráa primeira instrução e então seguirá para a próxima até que ele ou ela chegue a suas instalações.

De modo  semelhante,  um  programador  CNC  manual  deve  poder  visualizar  as  operações  de  usinagem  que  deverão  ser  executadasdurante  a  execução  do  programa.  Então,  passo  a  passo,  o  programador  dará  um  conjunto  de  comandos  que  fazem  a  máquina  secomportar adequadamente. 

Embora um pouco fora do assunto, nós desejemos fazer uma observação importante sobre visualização. Da mesma maneira que a pessoadirige em uma viagem precisa visualizar o caminho a ser  tomado, assim deve o programador CNC poder visualizar os movimentos que

máquina CNC estará fazendo antes mesmo do programa ser desenvolvido. Sem esta habilidade de visualização, o programador poderánão desenvolver os movimentos corretamente no programa. Esta é uma razão por que os operadores de máquinas  fazem os melhoresprogramas de CNC. Um operador experiente deve poder visualizar qualquer operação de usinagem de modo fácil e efetivo.Da mesma maneira que cada instrução de viagem concisa será composta de uma sentença, assim vá cada instrução dada dentro de umprograma CNC será composto de um comando. Da mesma maneira que a oração de  instrução de viagem é composta de palavras (emportuguês), assim é o comando CNC composto de palavras de CNC (em linguagem CNC).A pessoa que segue seu conjunto de instruções de viagem os executará explicitamente. Se você cometer um erro com seu conjunto deinstruções,  a  pessoa  se  perderá  a  caminho  de  sua  companhia.  Em modo  semelhante,  a máquina CNC  executará  um  programa CNCexplicitamente. Se houver um engano no programa, a máquina CNC não se comportará corretamente.A  baixo  está  um exemplo  de  um programa  curto  onde  se  deseja  executar  dois  furos  em uma peça  em um  centro  de  usinagem CNC.Lembre­se de que nós não estamos acentuando os comandos neste programa (entretanto as mensagens nas descrições dos blocos devedeixar  relativamente  claro  sobre  o  que  está  acontecendo  em  cada  comando).  No  entanto  nosso  principal  propósito  aqui  é  acentuar  aestrutura de um programa CNC e o fato que será executado em uma seqüência de blocos.

Blocos de comando Descrição dos bloco

Bloco Descrição do blocoO0001 Número de ProgramaN005 G54 G90 S400M03 Seleciona as coordenadas, sistema absoluto e o fuso deve girar no sentido horário a 400 RPM.

N010 G00 X1. Y1. Rápido para o local de XY do primeiro furo.N015 G43 H01 Z.1M08

Inicia a compensação de comprimento de ferramenta, rápido em Z para posição acima da superfície para furar,liga o refrigerante.

N020 G01 Z­1.25 F3.5 Avance para o primeiro furo a 3,5 polegadas por minutos.N025 G00 Z.1 Rápido para fora do furo.N030 X2. Rápido para o Segundo furo.N035 G01 Z­1.25 Avance para o Segundo furoN040 G00 Z.1 M09 Rápido para fora do segundo furo,desliga o refrigerante.N045 G91 G28 Z0 Retorno para posição de referência em Z.N050 M30 Fim de programa, rebobinar a fita.

 

As palavras e comandos neste programa não fazem muito sentidos a você, portanto nosso intuito é acentuar a ordem seqüencial na qual oprograma CNC será executado. O controle  lerá primeiro,  interpretará e executará o primeiro comando no programa. Só então  irá para opróximo  comando.  Leia,  interprete,  execute.  Então  seguirá  para  o  próximo  comando  e  assim  sucessivamente.  Novamente,  note  asemelhança a dar qualquer conjunto de instrução passo a passo.

Outras notas sobre programas CNC.

Como já foi dito, programas são compostos de comandos e comandos são compostos de palavras. Cada palavra tem um endereço de letrae um valor numérico. O endereço de  letra diz para o controle o  tipo de palavra. Os  fabricantes de controle CNC variam com respeito acomo eles determinam os nomes das palavras (letra e direção) e os significados delas. No inicio o programador CNC deve se referenciarpelo manual do  fabricante do controle para determinar como deve ser o significado e o endereço de cada palavra. Aqui está uma  listabreve de algumas dos tipos de palavras e as especificações de endereço de letra mais comuns.

O ­ Número de Programa (Usado para identificação de programa)N ­ Número de Sucessão (Usado para identificação de linha)G ­ Função Preparatória (Veja abaixo)X ­ Eixo XY ­ Eixo Y Z ­ Eixo ZR ­ RaioF ­ Taxa de avançoS ­ Rotação do fusoH ­ Compensação de comprimento da ferramenta. D ­ Compensação de raio da ferramenta. T ­ FerramentaM ­ Função miscelânea

Como você pode ver, muitos dos endereços de letra são escolhidos de uma maneira lógica (T para ferramenta 'tool', S para fuso 'spindle',F para taxa de alimento 'feedrat', etc.). Algumas requerem memorização maior. 

Há duas letras diretoras (G e M) que permitem designar funções especiais. A função preparatória (G) especificamente é usada para fixarmodos de atuação da máquina. Nós já introduzimos modo absoluto que é especificado por G90 e modo incremental especificado por G91.Estes são mais duas das funções preparatórias usadas. Você deve se referenciar no manual de seu fabricante de controle para achar alista de funções G e M da sua máquina. Como as  funções preparatórias, as  funções miscelâneas  (M) permitem uma variedade de  funções especiais. Funções miscelâneas sãotipicamente usadas como interruptores programáveis (como liga e desliga do fuso, liga e desliga o refrigerante, e assim por diante). Estasfunções também são usadas para permitir programação de muitas outras funções das máquinas ferramenta CNC.A  um novato,  tudo  pode  parecer  requerer muita memorização  para  se  programar CNC.  Porém  uma  coisa  boa  precisa  ser  dita,  é queexistem apenas aproximadamente de 30 a 40 palavras diferentes usadas em programação CNC.  Imagine se você precisasse aprenderprogramação CNC manual, isto seria como aprender um idioma estrangeiro que tem só 40 palavras, isso não deveria parecer muito difícil.

Programação de ponto decimal

Certas  letras dos programas CNC permitem a especificação de números  reais  (números que  requerem porções de um número  inteiro).Exemplos  incluem eixo X  (X), o eixo Y(Y), e  raio  (R). Quase  todos modelos de controles CNC atuais permitem usar um ponto decimaldentro da especificação de cada endereço de letra. Por exemplo, X3.0625 pode ser usado para especificar uma posição ao longo do eixode X. 

Por outro lado, alguns endereços de letra são usados para especificar números inteiros. Os exemplos incluem: o número da ferramenta (T),sucessão dos números dos blocos (N),  funções preparatórias (G), e  funções miscelâneas (M). Para estes tipos, a maioria dos controlesnão permite usar um ponto decimal. O programador principiante deve se referenciar nos manuais dos controles CNC do fabricante, ondeestarão especificadas as letras que por ventura possuam pontos decimais.

Outras funções programáveis

Todas inclusive as máquinas CNC mais simples têm funções programáveis diferentes de apenas movimentos de eixos. Com a explosão daprodução dos equipamentos CNC de hoje, quase tudo sobre a máquina é programável. Por exemplo, Centros de usinagem CNC permitemprogramar a velocidade e a direção de  rotação do  fuso,  refrigerante pelo  interior da  ferramenta ou misturando­se óleo  refrigerante e arcomprimido,  troca  automática  de  ferramentas,  e muitas  outras  funções  da máquina. E  todas  as  formas  de equipamentos CNC  terão opróprio  conjunto  de  funções programáveis. Adicionalmente,  certos acessórios  como sistemas  de  sondas,  sistemas  que  podem medir  ocomprimento da ferramenta, trocadores de pallets, e sistemas de controle adaptáveis que também podem estar disponíveis e requererãoconsiderações de programação.

A  lista de  funções  programáveis  pode  variar  dramaticamente  de  uma máquina  para  outra,  e  o  usuário  precisa  aprender  estas  funçõesprogramáveis  para  cada máquina CNC  que  fizer  um  programa.  Em  conceito  fundamental  número  dois,  nós  daremos  uma  olhada  nasformas diferentes de programação de máquinas ferramentas CNC.

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